CHƯƠNG 1.1 Tổng quan về cánh tay máy công nghiệp 1.1 Định nghĩa cánh tay máy công nghiệp Định nghĩa cánh tay máy công nghiệp: - Theo tiêu chuẩn ISO 8372:2012: là một “tay máy được điều khiển tự động, có khả năng lặp lại các chương trình, đa mục đích, có khả năng lập trình trên ít nhất ba trục, có thể cố định hoặc di động để sử dụng cho các ứng dụng tự động hoá trong công nghiệp”. Các đặc trưng quan trọng của cánh tay máy công nghiệp: - Là thiết bị vạn năng, được tự động hoá theo chương trình và có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt khéo léo các nhiệm vụ khác nhau. - Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng, như vận chuyển và xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường…. - Được sử dụng thay cho con người để thực hiện các nhiệm vụ nguy hiểm hoặc các nhiệm vụ lặp đi lặp lại với độ chính xác cao.2 Phân loại cánh tay máy trong công nghiệp Trong công nghiệp có các yếu tố chính để phân loại cánh tay máy như sau: theo cấu trúc cơ khí, theo bộ điều khiển.
a) Phân loại theo cấu trúc cơ khí Các kiểu robot phân loại theo cấu trúc cơ khí được trình bày như Bảng 1-1 Bảng 1-1 Bảng phân loại cánh tay máy trong công nghiệp theo cấu trúc cơ khí. Robot có các trục chuyển động là các khớp quay. Có cấu tạo tương Articulated Robots tự cánh tay người và có vùng (Robot khớp nối) không gian làm việc rộng, thường có 6 bậc tự do và rất linh hoạt. 1 Robot dựa trên cấu trúc nối tiếp, có nghĩa là động cơ đầu tiên phải SCARA robot mang tất cả các động cơ khác.
Robot này có hai khớp xoay song song cho phép theo tác được thực hiện trên cùng một mặt phẳng. Robot có ba bậc chuyển động cơ Cartesian robot bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc X, Y, (Robot toạ độ Z trong hệ toạ độ Đề-cát. Không vuông góc) gian làm việc của nó có dạng hình hộp chữ nhật. Robot sử dụng hệ thống cơ khí với nhiều chuỗi trục điều khiển nối Parallel robot tiếp để di chuyển cơ cấu chấp hành cuối.
Cầu hình thường sử (Robot song song) dụng là cấu hình Delta robot gồm ba cánh tay được nối với các khớp quay ở bệ cố định. Robot có ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai trục chuyển động tịnh Cylindrical robot tiến và một trục quay. Không gian (Robot toạ độ trụ) làm việc của nó có dạng hình trụ. Robot có ba bậc chuyển động cơ Spherical robot bản gồm hai trục chuyển động quay và một trục tịnh tiến.
Không (Robot toạ độ cầu) gian làm việc của nó có dạng hình cầu. b) Phân loại theo điều khiển Có hai kiểu điều khiển cho robot: điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín 2 Điều khiển vòng hở: dùng truyền bước động (động cơ điện hoặc động cơ thuỷ lực, khí nén, …) mà quảng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiểu này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp. Tín hiệu Bộ điều Cánh tay đặt khiển máy Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển vòng hở Điều khiển vòng kín: sử dụng tín hiệu phản hồi từ cảm biến (vị trí, vận tốc, gia tốc), lấy sai số so với tín hiệu đặt rồi qua bộ điều khiển để tăng độ chính xác cho hệ thống.
Tín hiệu Bộ điều Cánh tay đặt khiển máy Cảm biến Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển vòng kín 1.3 Thành phần của cánh tay máy trong công nghiệp Về cơ bản, cánh tay máy trong công nghiệp là một hệ thống gồm các thành phần sau: - Cánh tay máy Thành phần chính của cánh tay máy bao gồm các khâu được liên kết với nhau bởi các khớp. Khớp là thành phần liên kết giữa hai khâu, có chức năng truyền chuyển động để thực hiện di chuyển của robot. Khớp cánh tay máy gồm hai loại: khớp tịnh tiến và khớp quay. - Cổ tay Cổ tay của cánh tay máy có nhiệm vụ định hướng chính xác cho cơ cấu chấp hành cuối trong không gian làm việc.
Thông thường cổ tay cánh tay máy có ba bậc tự do tương ứng với ba chuyển động: + Roll: cổ tay quay xung quanh trục X của khâu chuyển động cuối cùng. + Pitch: cổ tay quay quanh trục nằm ngang Y tạo chuyển động lên xuống của cơ cấu chấp hành cuối. 3 + Yaw: cổ tay quay xung quanh trục thẳng đứng Z tạo chuyển động lắc phải, lắc trái của cơ cấu chấp hành cuối. - Cơ cấu chấp hành cuối Cơ cấu chấp hành cuối được gắn lên cổ tay của cánh tay máy để giúp cánh tay máy thực hiện các thao tác, nhiệm vụ khác nhau trong không gian làm việc.
Cơ cấu khâu chấp hành cuối thường có hai dạng khác nhau tuỳ theo chức năng của cánh tay máy trong dây chuyền sản xuất: Cơ cấu bản kẹp thường dùng cho các ứng dụng gắp, bắt, nâng vật, … và cơ cấu dụng cụ thường dùng cho các ứng dụng như hàn, khoan, … - Các cơ cấu truyền động Các cơ cấu truyền động hoạt động giống như “cơ bắp” của cánh tay máy làm cho cánh tay máy chuyển động và thay đổi tư thế. Các cơ cấu truyền động cung cấp năng lượng tác động lên cấu trúc cơ khí của robot để bù lại các thành phần trọng lực, quán tính và các ngoại lực nhằm làm thay đổi vị trí hình học của cánh tay máy. Các cơ cấu truyền động thường sử dụng có thể là động cơ điện, thuỷ lực, hoặc khí nén và có thể điều khiển được. - Các cảm biến Cảm biến gồm các phần tử để nhận biết và thu thập các thông tin về quán tính, về các trạng thái thực của cánh tay máy, của môi trường bên ngoài cánh tay máy, … Các thông tin quan trọng được thu thập bởi các cảm biển trong cánh tay máy công nghiệp bao gồm góc quay, vận tốc góc của các khớp, gia tốc và lực tác dộng.
Các cảm biển được tích hợp trong tay máy, nhận biết và thu thập các thông tin của các thanh nối và các khớp để gửi về bộ điều khiển, nhờ đó bộ điều khiển xác định được tư thế và các trạng thái của cánh tay máy. - Bộ điều khiển Các thành phần bên trong của bộ điều khiển thực hiện ba chức năng cơ bản: + Chức năng về thông tin: thu thập và xử lý các thông tin do cảm biến thu thập và gửi về. + Chức năng ra quyết đinh: từ kết quả xử lý các thông tin để đưa ra các quyết định (thường là dựa theo các thuật toán điều khiển) để gửi tín hiệu ra lệnh đến hệ truyền động thực hiện các chuyển động, thao tác của cánh tay máy. + Chức năng truyền thông: chức năng truyền động để giao tiếp giữa bộ điều khiển với các thiết bị ngoại vi, hệ thống sản xuất, các bộ điều khiển cấp trên,… để phối hợp thực hiện trong quá trình sản xuất.
- Phần mềm 4 Dùng để lập trình cho Bộ điều khiển có thể cài đặt các thông số cho cánh tay máy, hiển thị các thông tin theo dõi trạng thái hoạt động của cánh tay máy, cảnh báo cho người sử dụng khi cánh tay máy gặp sự cố.2 Động học cánh tay máy Để biểu diễn toán học mô hình cánh tay máy, hệ trục tham chiếu thường gắn tại mội điểm để từ đó có thể xác định mối quan hệ với cánh tay máy. Mỗi khâu của cánh tay máy được gắn với một hệ trục tham chiếu nhằm mục đích bám theo vị trí, hướng của khâu và mô hình hoá toàn bộ hệ thống cánh tay máy di chuyển trong không gian mà không quan tâm đến các lực xung quanh tác động. Các cảm biến tại các khớp đo góc quay đối với các khớp chuyển động quay hoặc đo khoảng cách trượt đối với các khớp chuyển động tịnh tiến cho phép bộ điều khiển tính toán giá trị điều khiển một cách chính xác để điều khiển các cơ cấu chấp hành. Việc tính toán ma trận vị trí và hướng từ các biến khớp cũng như mối quan hệ này theo chiều ngược lại được gọi là tính toán động học thuận, động học nghịch (còn được gọi là tính toán động học) cho cánh tay máy.1 Gắn hệ toạ độ lên các khâu cánh tay máy Quy ước cách đặt tên các khâu như sau: - Một cánh tay máy có N khớp được đánh số từ 1 đến N.
- Trong đó có N 1 khâu được đánh số từ 0 đến N. - Khớp i có chức năng liên kết khâu thứ i 1 với khâu thứ i và truyền động tạo ra chuyển động tương đối giữa các khớp (chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến). - Khâu thứ i có chức năng kết nối từ khớp i đến khớp i 1. Khâu thứ 0 là khâu đế của cánh tay máy, thường được gắn cố định.
- Khâu thứ N là khâu cuối cùng của cánh tay máy, được gắn với cơ cấu chấp hành cuối. Mỗi khâu của cánh tay máy được mô tả bằng bộ bốn tham số: - Hai tham số mô tả riêng của khâu là chiều dài khâu ai và góc xoắn i. - Hai tham số mô tả sự liên kết của khâu với khâu kề với nó: khoảng cách di giữa hai khâu và góc quay tương đối i giữa hai khâu.3 Miêu tả bảng tham số Denavit Hartenberg Khâu đầu tiên của cánh tay máy là khâu đế gắn cố định. Khâu này được đặt số thứ tự bằng 0 và hệ toạ độ gắn lên khâu này được đặt tên là {0}.
Trong bài toán động học của cánh tay máy thường đặt hệ toạ độ này là hệ toạ độ tham chiếu hay còn gọi là hệ toạ độ gốc. Sau khi gắn các hệ toạ độ lên các khâu của cánh tay máy, bộ tham số Denavit – Hartenberg được xác định như sau Bảng 1-2 Bảng thông số Denavit – Hartenberg a d Số thứ tự khâu i1 i1 i i a d 1 0 0 1 1 a d 2 1 1 2 2 … … … … … a d j j 1 j 1 j j … … … … a n n1 n1 dn n Trong đó ai1 ˆ ˆ ˆ là khoảng cách từ Z i1 đến Zi đo dọc theo trục Xi1 ; i1 là góc ˆ ˆ ˆ quay từ trục Zi1 đếnZi xung quanh trục Xi1 (theo quy tắc bàn tay phải); di là khoảng ˆ ˆ ˆ ˆ cách từ Xi1 đến X ; X ˆ đo dọc theo trục Zi i là góc quay từ trục i1 đến X i xung quanh trục Zi .